Low-Power Wide-Area-Network
Facetten eines intelligenten Gebäudes
Smart Buildings bieten zahlreiche Vorteile, aber ihre Umsetzung ist aufgrund vielfältiger Probleme, wie Kosten und Netzwerküberlappungen, eine Herausforderung. Wie die Entwicklungen im LPWAN-Bereich Gebäude intelligenter machen und so die Arbeit von Facility Manager erleichtern können.
Der Artikel beantwortet folgende Fragen:
- Warum ist die Umsetzung intelligenter Gebäudetechnik herausfordernd?
- Wie wird sich der weltweite Markt für intelligente Gebäudesysteme voraussichtlich entwickeln?
- Welche Einsatzszenarien gibt es für Sensornetzwerke?
- Welche Vorteile bieten batteriebetriebene gegenüber verdrahteten Systemen?
- Was sind die neuesten Entwicklungen in der Netzwerktechnik rund um LoRaWAN?
- Wo kann der LoRaWAN-Standard seine Vorteile ausspielen?
- Was kann Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS)?
Intelligente Gebäude beziehungsweise Smart Buildings wurden mit Begeisterung erwartet, aber die Umsetzung intelligenter Gebäudetechnik ist aufgrund der komplexen und vielfältigen Lösungen am Markt eine Herausforderung. Komplizierte und kostspielige Probleme können den Bau intelligenter Gebäude behindern. Darunter fallen die hohen Kosten im Zusammenhang mit Mobilfunknetzen und die Tatsache, dass die von intelligenten Gebäuden genutzten Netzwerke miteinander kollidieren und sich gegenseitig stören können, was einen reibungslosen Betrieb beeinträchtigt.
Der weltweite Markt für intelligente Gebäudesysteme wird Prognosen zufolge von heute 80 Milliarden US-Dollar auf 328 Milliarden US-Dollar im Jahr 2029 ansteigen1, was auf die Vorteile zurückzuführen ist, die sich aus der Integration von Gebäuden in das Internet der Dinge (IoT) ergeben. So ermöglichen vernetzte Sensoren eine präzisere Steuerung von HLK-Systemen, was die Energiekosten senkt und ein besseres Management von Beleuchtungs-, Sicherheits- und Gesundheitsschutzsystemen ermöglicht. Sensornetzwerke verbessern auch die Gebäudeeffizienz durch Echtzeit-Management der Belegung und Raumnutzung und bieten die Möglichkeit, auf aktuelle Daten zuzugreifen, um eine proaktive Wartung und Verwaltung sicherzustellen. Wenn sie effektiv eingesetzt werden, sorgen sie für mehr Komfort im Gebäude, was die Produktivität der Mitarbeiter steigert und nachweisbare Effizienzgewinne für das Gebäudemanagement mit sich bringt.
Kabelgebunden versus batteriebetrieben
Während einige Einrichtungen in einem IoT-fähigen Netzwerk davon profitieren, fest verdrahtet zu sein, sind batteriebetriebene Sensoren oft sinnvoller. Der Batteriebetrieb bietet erheblich mehr Flexibilität in Bezug auf die Platzierung der Sensoren in einem Gebäude, und mit einer Lebensdauer von mehr als zehn Jahren erleichtern batteriebetriebene Sensoren die Wartung. Abgesehen von den Problemen, die mit der Installation kilometerlanger Kabel in einem festverdrahteten System einhergehen, kann das Identifizieren von Systemfehlern in einem solchen System problematisch sein, was sich mit bestimmten funkbasierten Techniken vermeiden lässt.
Ein weiterer Unterschied bei einigen intelligenten Gebäudesystemen ist die Netzwerkreichweite. Damit ein Kommunikationsnetzwerk zuverlässig funktioniert, benötigen Facility Manager genaue Daten. Für minimale Störungen und maximale Effizienz müssen die verwendeten Signale in der Lage sein, dicke Wände zu durchdringen, mehrere Stockwerke zu überwinden und sogar über viele Kilometer hinweg mit den Netzwerken anderer Gebäude interagieren. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Datensicherheit – sensible Geschäftsdaten müssen „wasserdicht“ sein, wenn sie über ein beliebiges Netzwerk und zwischen verschiedenen Strukturen ausgetauscht werden.
Neueste Entwicklungen rund um LoRaWAN
Neueste Entwicklungen in der Netzwerktechnik rund um LoRaWAN gehen diese Probleme an. Der für diese Netzwerke zentrale LoRaWAN-Standard wurde speziell für Verbindungen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch zu batteriebetriebenen Sensoren entwickelt. Dabei werden die nicht lizenzierten Sub-GHz-Funkbänder bei 915 MHz in Nordamerika und 868 MHz in Europa verwendet. Dies ermöglicht eine große Reichweite mit einer besseren Durchdringung als bei Standard-2,4-GHz-Netzen und erlaubt es, die Sensoren genau dort zu platzieren, wo sie benötigt werden – anstatt in der Nähe einer Stromquelle oder eines Netzwerkkabels. Der niedrige Stromverbrauch sorgt dafür, dass diese Sensoren ein Jahrzehnt lang mit einer einzigen Batterie betrieben werden können, was kostspielige Austauschzyklen vermeidet.
| Wenn Gebäude durch verbesserte Systeme intelligenter werden, können Facility Manager diese Gebäudetechnik sehr gezielt steuern, und zwar viel einfacher als dies bisher möglich war. LoRa ermöglicht eine große Reichweite für batteriebetriebene Sensoren, die sich nahtlos in private oder öffentliche Netzwerke einbinden lassen. Neueste Verbesserungen und der globale 2,4-GHz-Betrieb bieten viele überzeugende Optionen, die jedes Gebäude intelligenter machen. |
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Die Sensoren für Innenraumluft (IAQ; Indoor Air Quality) und Innen-Umgebung (IEQ; Indoor Environment Quality) von IQ Nexus sind ein Beispiel dafür. Sie setzen auf LoRa-ICs, die den LoRaWAN-Standard für Gebäudeautomationssysteme nutzen, um CO2-Emissionen in Echtzeit zu überwachen und die WELL- und RESET-Standards erfüllen – wichtige Maßstäbe für den Betrieb von Gebäuden. Durch die LoRaWAN-Anbindung kann der IAQ-Sensor über Standardprotokolle wie BACnet und ModBus mit jedem Gebäudeautomations- oder Energiemanagementsystem sowie mit SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) kommunizieren.
Eine typische Installation von IAQ-Sensoren besteht aus einer IoT-Plattform, die auf einem lokalen Server installiert ist, um 20 bis 30 Gateways mit 700 bis 1.000 Sensoren für ein Gebäude mit 30 bis 50 Stockwerken zu vernetzen. Die Sensoren decken IAQ und IEQ ab und gewährleisten den Klimakomfort durch die Messung einzelner HLK-Zonen.
LR-FHSS, das robuste Protokoll
In einigen Gebieten ist das ISM-Sub-GHz-Band knapp bemessen. Neueste ICs unterstützen daher beispielsweise ein noch robusteres Protokoll: Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS), das für Endgeräte mit niedriger Datenrate, denen keine große Anzahl von Kanälen zugewiesen werden kann, zusätzliche Kapazitäten bietet. LR-FHSS ist so konzipiert, dass es mit Sensoren koexistieren kann, die LoRa verwenden und kann Gebäudeschichten durchdringen, um eine zuverlässige Infrastrukturüberwachung zu gewährleisten. Während dies früher mit mehreren Gateways realisiert wurde, vereinfachen Verbesserungen des Protokolls das Netzwerkdesign und die Umsetzung. Jetzt kann ein einziges Gateway einen ganzen Wolkenkratzer oder mehrere Büros in einem privaten Netzwerk ohne zusätzliche Betreiberkosten verwalten und über eine End-to-End-Verschlüsselung eine sichere Verbindung zur Cloud herstellen, während die Trennung von Unternehmensnetzwerken gewahrt bleibt. Dies vermeidet das Risiko, dass IT-Systeme die Leistungsfähigkeit intelligenter Gebäuden beeinträchtigen, während gleichzeitig der Zugang zu Analysen und Maschinellem Lernen (ML) ermöglicht wird, um die Gebäudeverwaltung zu automatisieren. Diese Systeme können über LoRaWAN auch öffentliche Netze anzapfen und Gebäude auf der ganzen Welt mit sicheren Managementsystemen verbinden. Dieses Protokoll reicht direkt bis zu Satelliten in der Erdumlaufbahn, und Betreiber starten bereits Satellitenkonstellationen, um mit Hilfe von LoRa aus dem Weltraum Sensoren zu überwachen, die außerhalb der Reichweite sind.
LR-FHSS kann auch im berüchtigt überfüllten 2,4-GHz-Band eingesetzt werden. Da WiFi-, Bluetooth-, Zigbee- und Matter-Netzwerke alle um den Zugang konkurrieren, können stromsparende Sensoren in intelligenten Gebäuden Schwierigkeiten haben, erfasst zu werden. Die LoRa-2,4-GHz-Funktion bietet hingegen eine breitere ISM-Bandbreite, die weltweit verfügbar ist – mit Datenraten von bis zu 100 KBit/s und einer Reichweite von 200 bis 300 m in komplexen, dichten Umgebungen. Damit lassen sich Daten von Sensoren zuverlässig übertragen. Auf diese Weise können Sensoren den Zustand von Maschinen kontinuierlich überwachen, Wartungsarbeiten vorausschauend planen und ungeplante Ausfallzeiten reduzieren.
Neueste LoRa-ICs verfügen jetzt auch über Geolokalisierung, die für die Verfolgung von Assets innerhalb als auch außerhalb eines Gebäudes verwendet werden kann. Diese ICs suchen die 2,4-GHz-WiFi-Netzwerkpakete und GNSS-Satellitennavigationssignale ab, um den Standort dieser Assets zu verfolgen. Damit steht zusätzliche physische Sicherheit für Ausrüstung in einem bestimmten Bereich zur Verfügung. Diese Implementierungen verwenden offene Standards und sind Teil eines Ökosystems von Sensor- und Gateway-Anbietern und Netzbetreibern, die über die LoRa Alliance zusammenarbeiten.
1 https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/smart-building-market-101198
